1.2 Schalie

Schalieformaties en slibformaties zijn de meest voorkomende afzettingsgesteenten in de aardkorst. In de aardoliegeologie zijn organische schalieformaties zowel brongesteenten als afdichtingsgesteenten die olie en gas vasthouden (Speight, 2014). In reservoirtechniek zijn schalieformaties stromingsbarrières. Bij het boren komt het bit vaak grotere schalie-volumes tegen dan reservoirzand. Bij seismisch onderzoek vormen schalieformaties die in contact staan met andere gesteenten vaak goede seismische reflectoren. Als gevolg hiervan zijn seismische en petrofysische eigenschappen van schalieformaties en de relaties tussen deze eigenschappen belangrijk voor zowel exploratie als reservoirbeheer. Schalieformaties komen wereldwijd voor (zie hoofdstuk 2).

Schalie is een geologische rotsformatie die rijk is aan klei, meestal afgeleid van fijn sediment, afgezet in vrij rustige omgevingen op de bodem van zeeën of meren, en in de loop van miljoenen jaren begraven. Schalieformaties kunnen dienen als drukbarrières in bassins, als topafdichtingen en als reservoirs in schaliegasspelen.

Meer technisch gezien is schalie een splijtbaar, terrigeen sedimentair gesteente waarin deeltjes meestal van slib en klei zijn. (Blatt en Tracy, 2000). In deze definitie verwijst splijtbaar naar het vermogen van de schalie om langs de bedding in dunne platen te splitsen en verwijst terrigenous naar de oorsprong van het sediment. In veel bassins wordt de vloeistofdruk van het waterige systeem aanzienlijk verhoogd, wat leidt tot de vorming van een hydrofractuur en het wegvloeien van vloeistof. Het optreden van een natuurlijke hydrofractuur is echter een onwaarschijnlijk proces in de omstandigheden die in de meeste bassins voorkomen.

Wanneer een aanzienlijke hoeveelheid organisch materiaal is afgezet met de sedimenten, kan het schaliegesteente organisch vast materiaal bevatten (kerogeen). De eigenschappen en samenstelling van schalie plaatsen het in de categorie van sedimentair gesteente dat bekend staat als mudstones. Schalie onderscheidt zich van andere mudstones omdat het gelamineerd en splijtbaar is – de schalie is samengesteld uit vele dunne lagen en splitst zich gemakkelijk in dunne stukken langs de lamellen.

Schalie bestaat voornamelijk uit minerale korrels ter grootte van klei, die zijn meestal kleimineralen zoals illiet, kaoliniet en smectiet. Schalie bevat gewoonlijk andere minerale deeltjes ter grootte van een klei, zoals kwarts, hoornkiezel en veldspaat. Andere bestanddelen kunnen organische deeltjes, carbonaatmineralen, ijzeroxidemineralen, sulfidemineralen en zware mineraalkorrels zijn, en de aanwezigheid van dergelijke mineralen in schalie wordt bepaald door de omgeving waaronder de schaliebestanddelen zich bevonden.

Schalie komt in twee algemene varianten op basis van organisch gehalte: (i) donker of (ii) licht. Donkergekleurde of zwarte schalieformaties zijn organisch rijk, terwijl de lichtere schalieformaties organisch mager zijn. Organisch-rijke schalieformaties werden afgezet onder omstandigheden van weinig of geen zuurstof in het water, waardoor het organische materiaal voor bederf behoedde. De organische stof bestond voornamelijk uit plantenresten die zich hadden opgehoopt met het sediment.

Zwarte organische schalieformaties zijn de brongesteente voor veel van de olie- en aardgasafzettingen van de wereld. Deze zwarte schalieformaties krijgen hun zwarte kleur door minuscule deeltjes organisch materiaal die zijn afgezet met de modder waaruit de schalie is ontstaan. Terwijl de modder werd begraven en opgewarmd in de aarde, werd een deel van het organische materiaal omgezet in olie en aardgas.

Een zwarte kleur in sedimentair gesteente duidt bijna altijd op de aanwezigheid van organische materialen. Slechts 1% of 2% van de organische materialen kan het gesteente een donkergrijze of zwarte kleur geven. Bovendien impliceert deze zwarte kleur bijna altijd dat de schalie gevormd is uit sediment dat is afgezet in een zuurstofarme omgeving. Elke zuurstof die in het milieu terechtkwam, reageerde snel met het rottende organische afval. Als er een grote hoeveelheid zuurstof aanwezig was, zou het organische afval allemaal vergaan zijn. Een zuurstofarme omgeving biedt ook de juiste omstandigheden voor de vorming van sulfidemineralen zoals pyriet, een ander belangrijk mineraal dat wordt aangetroffen in de meeste zwarte schaliesedimenten of -formaties.

De aanwezigheid van organisch afval in zwarte schalieformaties maakt ze de kandidaten voor olie- en gasproductie. Als het organische materiaal na het begraven wordt geconserveerd en op de juiste manier wordt verwarmd, kan er olie en aardgas vrijkomen. De Barnett-schalie, Marcellus-schalie, Haynesville-schalie, Fayetteville-schalie en andere gasproducerende gesteenten zijn allemaal donkergrijze of zwarte schalieformaties die aardgas opleveren.

De olie en het aardgas migreerden uit de schalie en omhoog door de sedimentmassa vanwege hun lage dichtheid. De olie en het gas werden vaak opgesloten in de poriën van een bovenliggende rotseenheid, zoals een zandsteenformatie. Deze soorten olie- en gasafzettingen staan bekend als conventionele reservoirs omdat de vloeistoffen gemakkelijk door de poriën van het gesteente en in de extractieput kunnen stromen.

Elke schalieformatie heeft verschillende geologische kenmerken die van invloed zijn op de manier waarop gas kan worden geproduceerd, de benodigde technologieën en de economische aspecten van productie. Verschillende delen van de (doorgaans grote) schalie-afzettingen zullen ook verschillende kenmerken hebben: kleine sweet spots of kerngebieden kunnen een veel betere productie opleveren dan de rest van de formatie, vaak vanwege de aanwezigheid van natuurlijke breuken die de doorlaatbaarheid vergroten (Hunter en Young, 1953).

De hoeveelheid aardgasvloeistoffen (NGL’s – koolwaterstoffen met een hoger molecuulgewicht dan methaan, zoals propaan, butaan, pentaan, hexaan, heptaan en zelfs octaan) die gewoonlijk wordt geassocieerd met de productie van aardgas aanwezig in het gas kan ook aanzienlijk variëren, met belangrijke gevolgen voor de economie van de productie. Hoewel de meeste droge gasspellen in de Verenigde Staten waarschijnlijk oneconomisch zijn bij de huidige lage aardgasprijzen, kunnen games met een aanzienlijk vloeistofgehalte alleen worden geproduceerd voor de waarde van de vloeistoffen (de marktwaarde van NGL’s is gecorreleerd met olieprijzen, in plaats van gas prijzen), waardoor gas een in wezen gratis bijproduct werd.

Eind jaren negentig ontwikkelden aardgasboorbedrijven nieuwe methoden voor het vrijmaken van olie en aardgas dat vastzit in de kleine poriën van schalie. Deze ontdekking was belangrijk omdat het enkele van de grootste aardgasafzettingen ter wereld ontsloot.

De Barnett-schalie in Texas was het eerste grote aardgasveld dat werd ontwikkeld in een schalie-reservoirgesteente. Het produceren van gas uit de Barnett-schalie was een uitdaging omdat de poriënruimten in schalie zo klein zijn dat het gas moeilijk door de schalie en in de put kan bewegen. Boormachines ontdekten dat de doorlaatbaarheid van de schalie verhoogd kon worden door water door de put te pompen onder een druk die hoog genoeg was om de schalie te breken. Deze breuken maakten een deel van het gas vrij uit de poriën en lieten dat gas naar de put stromen (hydraulisch breken, hydrofracking).

Horizontaal boren en hydraulisch breken zorgden voor een revolutie in de boortechniek en baande de weg voor de ontwikkeling van verschillende gigantische aardgasvelden. Deze omvatten de schalie van Marcellus in de Appalachen, de schalie van Haynesville in Louisiana en de schalie van Fayetteville in Arkansas. Deze enorme schaliereservoirs bevatten genoeg aardgas om gedurende 20 jaar of langer in alle behoeften van de Verenigde Staten te voorzien.

Hydraulische eigenschappen zijn kenmerken van een gesteente, zoals doorlaatbaarheid en porositeit, die het vermogen weerspiegelen om vloeistoffen zoals water, olie of aardgas vast te houden en door te geven. In dit opzicht heeft schalie een zeer kleine deeltjesgrootte, dus de interstitiële ruimtes zijn erg klein. In feite zijn ze zo klein dat olie, aardgas en water zich moeilijk door de rots kunnen bewegen. Schalie kan daarom dienen als afsluitende rots voor olie- en aardgasvallen en het is ook een aquiclude die de stroming van ondergronds water blokkeert of beperkt.

Hoewel de tussenruimten in een schalieformatie erg klein zijn, kunnen ze neem een aanzienlijk deel van de rots in beslag. Hierdoor kan de schalie aanzienlijke hoeveelheden water, gas of olie vasthouden, maar niet in staat zijn deze effectief over te brengen vanwege de lage permeabiliteit. De olie- en gasindustrie overwint deze beperkingen van schalie door horizontaal boren en hydraulisch breken te gebruiken om kunstmatige porositeit en permeabiliteit in het gesteente te creëren.

Sommige kleimineralen die in schalie voorkomen, kunnen absorberen of adsorberen grote hoeveelheden water, aardgas, ionen of andere stoffen. Deze eigenschap van schalie kan het in staat stellen om selectief en hardnekkig vloeistoffen of ionen vast te houden of vrij te geven.

Deze schaliegasbron kan dus worden beschouwd als een door technologie aangedreven hulpbron, aangezien het bereiken van gasproductie uit anders onproductief gesteente vereist technologie-intensieve processen. Voor het maximaliseren van de gaswinning zijn veel meer putten nodig dan bij conventionele aardgasoperaties het geval zou zijn. Bovendien worden horizontale putten met horizontale poten tot een lengte van één mijl of meer op grote schaal gebruikt om zoveel mogelijk toegang te krijgen tot het reservoir.

Meertraps hydraulisch breken (zie hoofdstuk 3), waarbij de schalie wordt gescheurd hoge drukken op verschillende plaatsen langs het horizontale gedeelte van de put, worden gebruikt om leidingen te creëren waar gas doorheen kan stromen. Microseismische beeldvorming stelt operators in staat om te visualiseren waar deze breukgroei plaatsvindt in het reservoir. Als technologiegedreven hulpbron kan de snelheid waarmee schaliegas zich ontwikkelt echter beperkt worden door de beschikbaarheid van de vereiste hulpbronnen, zoals zoet water, breuksteunmiddel of boorplatforms die putten van twee mijl of meer kunnen boren.